CN113637912A - 一种耐腐蚀过共析钢轨及其制备方法 - Google Patents

一种耐腐蚀过共析钢轨及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，该方法包括以下步骤：制备钢轨铸坯；将钢轨铸坯轧制成钢轨；对轧制后的钢轨进行分段式冷却，轧制后的钢轨首先静置在空气中冷却，当钢轨轨顶面中心温度降至730～850℃时，对钢轨轨头喷吹冷却介质，使钢轨轨头以第一冷却速率加速冷却至650～750℃，然后再使钢轨轨头以第二冷却速率加速冷却至400～500℃，之后停止加速冷却，使钢轨继续在空气中冷却至室温。本发明还公开了一种通过上述方法制得的耐腐蚀过共析钢轨。本发明通过在过共析钢轨现有成分中添加抑制晶间腐蚀的Mo元素和细化钢轨组织的Nb元素，结合钢轨生产工艺，通过成分优化和组织调控提升了过共析钢轨的耐腐蚀性能，尤其是耐氯化物点蚀能力。

Description

一种耐腐蚀过共析钢轨及其制备方法
技术领域
本发明属于钢轨制造技术领域，确切地讲，具体涉及一种耐腐蚀过共析钢轨及其制备方法。
背景技术
钢轨腐蚀一直是制约铁路运输发展的关键问题之一。通常钢轨的使用设计年限为10年，但根据铁道部实际监测结果，我国钢轨的平均使用寿命约为5年。造成钢轨失效的一个主要原因就是钢轨腐蚀，尤其是钢轨轨底腐蚀，加之轮轨间频繁的应力作用使得钢轨从腐蚀坑处产生疲劳裂纹并引发钢轨失效。此外，北方冬季气候寒冷，煤炭、矿石等货物在运输过程中常使用主要成分为氯化物的防冻液来避免货物冻为一体。但防冻液在运输过程中易洒落在铺设的钢轨上，其中的Cl-会加速钢轨腐蚀，尤其是轨底点蚀，因此北方冬季运输过程中钢轨腐蚀问题尤为突出。
提高钢轨耐蚀能力主要有三种方法：添加合金元素优化钢轨成分、钢轨表面涂层保护以及贴锌片等牺牲阳极的阴极保护法。其中，碳对钢轨的耐蚀性能有不利影响，含碳量越高，产生晶间腐蚀的倾向越大，同时氢腐蚀的孕育期缩短，因此钢的腐蚀过程在一定程度上受控于含碳量。然而，随着近年来铁路运输的高速发展，为了满足重载铁路对大轴重、高效率日益提升的运输需求，钢轨强硬度正逐步提升，发展至今已出现新日铁HE370、HE400和攀钢U95Cr等含碳量高的过共析钢轨。
下面对现有技术公开的耐腐蚀钢轨及其制备方法作简单地介绍。
中国专利CN107747021A公开了耐腐蚀高速铁路用钢轨及其生产方法。钢轨成分为：C：0.1～0.9％，Si：0.1～0.8％，Mn：0.15～1.2％；Cr：≤0.4％；V≤0.020％，Nb≤0.40％；S≤0.025％，P≤0.025％，余量为Fe及杂质。该发明所述工艺为在连铸钢轨外表面采用等离子熔覆铬铁合金的复合防腐层，通过涂覆技术提高钢轨的耐蚀性。然而，该发明要求在连铸坯介于800～1200℃下完成熔覆，操作技术难度大，且后期轧制过程无法保证镀层的完整性及与钢轨基体的结合能力。
中国专利CN107747040A公开了耐腐蚀高速铁路钢轨制备方法。该方法采用低S入炉铁水在高碱度精炼渣保护下精炼获得钢水，再在全程保护条件下完成连铸，连铸后钢坯进行缓冷和表面清理，之后钢坯重新加热并全断面除鳞，在钢坯表面喷涂主要成分为铬、镍、铝和碳元素的合金物质，再对钢坯进行轧制。本发明主要采用高温喷涂，利用合金防腐层对钢轨基地进行防锈保护，但工艺设计多种元素喷涂，难以保证涂层稳定性。
中国专利CN109112468B公开了氧化膜、耐腐蚀钢轨及该钢轨的制备方法。该发明将钢坯在氧化性气氛中加热至钢轨表面氧化铁皮易掉，经高压水除鳞后，置于开坯机轧制5～7道次，第一和第三道次采用大压下量轧制，然后进入万能轧机，进行粗轧、中轧和精轧后冷却。该发明提出通过提升钢轨表面氧化膜厚度以及Fe3O4占比来提升钢轨耐蚀性的方法，但该方法要求使用空气煤气作为氧化气氛对钢轨进行高温长时间加热，钢轨损耗较大且存在一定安全隐患。
中国专利CN109023126A公开了耐腐蚀高速铁路用钢轨生产方法。该方法利用钢轨轧制余热，对钢轨施加1～3℃/s的加速冷却操作，再利用钢轨热处理余热，对钢轨表面喷涂热熔铝液，通过铝液的涂层保护提升钢轨耐蚀性。然而，铝的硬度较低，与钢结合力差，在钢轨服役过程中涉及轮轨交互作用，因此难以实现长期防护。
中国专利CN111607738A公开了耐腐蚀高强度珠光体钢轨及其制备方法。钢轨成分需满足：C：0.65～0.80％，Si：0.45～0.85％，Mn：1.0～1.5％；S≤0.020％，P≤0.020％，Cr：0.68～0.95％；Nb：0.03～0.06％；Cu：0.8～1.6％，B：0.002～0.006％，余量为Fe及杂质。钢轨经过铁水预处理、转炉冶炼、精炼、真空处理、连铸、轧制、在线热处理等工艺制得。该方法通过细化钢轨片层间距至90～120nm来提升钢轨耐腐蚀性能。然而，该方法为了减少碳对耐蚀性的影响，将碳含量控制在0.65～0.80％，因此钢轨强硬度难以与过共析钢轨相比。
中国专利CN110527910A公开了含稀土Ce及Nb元素的耐腐蚀纳米珠光体钢轨制备方法。钢轨经过精炼后添加稀土元素进行真空脱气得到铸坯，铸坯加热至1250～1280℃，均热时间大于80min；粗轧开坯温度为1180～1200℃，终轧温度880～950℃，对轧后钢轨以3～5℃/s冷速冷却至750℃，以1～3℃/s冷速冷却至500℃后空冷。该发明通过控制细化钢轨组织，提升钢轨的耐蚀性，但该发明轧制控制温度区间小，对工艺要求高，且开冷的冷速较大，生产难以实现。
基于此可知，如何提高钢轨尤其是过共析钢轨耐蚀能力仍有一定的改进空间。
发明内容
本发明针对高碳含量过共析钢轨耐腐蚀性能较差的问题，提供了一种具有较好耐蚀性的过共析钢轨及其生产方法。该方法通过添加抑制晶间腐蚀的Mo元素和细化钢轨组织的Nb元素，结合钢轨生产工艺，通过成分和组织调控来提升过共析钢轨的耐腐蚀性能，尤其是耐氯化物点蚀能力。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
根据本发明的一方面，提供一种耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：制备钢轨铸坯；
步骤二：将制备出的钢轨铸坯轧制成钢轨；
步骤三：对轧制后的钢轨进行分段式冷却，轧制后的钢轨首先静置在空气中冷却，当钢轨轨顶面中心温度降至730～850℃时，对钢轨轨头喷吹冷却介质，使钢轨轨头以第一冷却速率加速冷却至650～750℃，然后再使钢轨轨头以第二冷却速率加速冷却至400～500℃，之后停止加速冷却，使钢轨继续在空气中冷却至室温。
根据本发明的一个实施例，步骤一制备的钢轨铸坯的成分按质量百分比含量计包括：C：0.85～1.05％，Si：0.2～0.8％，Mn：0.4～1.0％；Cr：0～0.4％；V≤0.1％，S≤0.008％，P≤0.025％，Mo：0.05～0.35％，Nb：0.015～0.035％，余量为Fe及不可避免的杂质。
根据本发明的一个实施例，步骤一制备的钢轨铸坯中Mo和Nb的质量百分比含量之和需满足：0.08％≤Mo+Nb≤0.37％。
根据本发明的一个实施例，步骤一制备的钢轨铸坯中Mo的质量百分比含量为0.1～0.3％，Nb的质量百分比含量为0.01～0.03％。
根据本发明的一个实施例，步骤一中所述的制备钢轨铸坯包括：通过铁水预处理工序、转炉冶炼工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序和连铸工序制备钢轨铸坯。
根据本发明的一个实施例，步骤一中所述的制备钢轨铸坯包括：采用低S铁水入炉，转炉吹炼结束后出钢过程中进行脱氧合金化处理，对合金化后钢液进行软吹氩以均匀化合金成分，吹氩时间为5min～10min。
根据本发明的一个实施例，步骤二中采用万能轧制机将钢轨铸坯轧制成钢轨。
根据本发明的一个实施例，步骤三中所述的第一冷却速率为3.0～4.0℃/s，步骤三中所述的第二冷却速率为1.0～2.0℃/s。
根据本发明的一个实施例，步骤三中所述的冷却介质为压缩空气或水雾混合气。
根据本发明的另一方面，提供一种通过上述制备方法制备出的耐腐蚀过共析钢轨，其成分按质量百分比含量计包括：C：0.85～1.05％，Si：0.2～0.8％，Mn：0.4～1.0％；Cr：0～0.4％；V≤0.1％，S≤0.008％，P≤0.025％，Mo：0.05～0.35％，Nb：0.015～0.035％，余量为Fe及不可避免的杂质。
与现有技术相比，本发明的技术方案通过在过共析钢轨成分中通过添加适量的Mo、Nb元素，提高了过共析钢轨耐腐蚀性能，并结合热处理工艺分段式加速冷却实现了过共析钢轨耐腐蚀性能的改善。通过本发明的方法生产的过共析钢轨具有较好的耐环境腐蚀能力，尤其是耐防冻液中氯化物的点蚀能力，适用于北方重载铁路运输。
此外，本发明的有益效果还包括：
1、在过共析钢轨现有成分中加入适量钼和铌，无需在现有生产工艺基础上增加额外设备，保证了钢轨生产成本可控。
2、钢轨热处理工艺只需要调整钢轨冷速，其他工艺参数无变化，不会对工艺流程造成显著改变。
3、过共析钢轨中添加钼、铌合金元素，通过热处理工艺，细化了钢轨组织，并利用钼元素提升了钢轨抗晶间腐蚀能力及抗Cl-点蚀能力，使钢轨具有较好的耐环境腐蚀能力，尤其是耐防冻液中氯化物的点蚀能力，适用于北方重载铁路运输。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
根据需要，本发明说明书中公开了本发明的具体实施例；然而，应当理解在此公开的实施例仅为可通过多种、可替代形式实施的本发明的示例。在下文的描述中，在构想的多个实施例中描述了多个操作参数和部件。这些具体的参数和部件在本说明书中仅作为示例而并不意味着限定。
本发明的第一方面提供了一种耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)采用低S铁水入炉，转炉吹炼结束后出钢过程中进行脱氧合金化处理，合金化后钢液进行软吹氩以均匀化合金成分，吹氩时间不低于5～10min。
(2)步骤(1)所得钢液进入LF炉进行电加热精炼并对主要合金成分进行精确调控，LF结束后进行RH真空循环脱气处理，真空处理时间为10～20min，所得钢液通过连铸工艺形成钢轨铸坯。所得钢轨铸坯的化学成分需满足：C：0.85～1.05％，Si：0.2～0.8％，Mn：0.4～1.0％；Cr：0～0.4％；V≤0.1％，S≤0.008％，P≤0.025％，Mo：0.05～0.35％，Nb：0.015～0.035％，0.08％≤Mo+Nb≤0.37％，余量为Fe及不可避免的杂质。
(3)将步骤(2)所得钢轨铸坯采用万能轧制机进行轧制。开轧温度为1100～1200℃，终轧温度为850～950℃。
(4)将步骤(3)所得轧制后钢轨静置在空气中冷却，当钢轨轨顶面中心温度降至730～850℃的开冷温度时进入在线热处理机组，对钢轨轨头及两侧喷吹冷却介质，使钢轨轨头以3.0～4.0℃/s的第一冷却速率冷却至650～750℃的中间温度，再以1.0～2.0℃/s的第二冷却速率冷却至400～500℃的终冷温度，之后停止加速冷却，并继续在空气中冷却至室温。所述冷却介质为压缩空气或水雾混合气。
本发明的第二方面提供了一种通过上述制备方法制备出的耐腐蚀过共析钢轨，其成分按质量百分比含量计包括：C：0.85～1.05％，Si：0.2～0.8％，Mn：0.4～1.0％；Cr：0～0.4％；V≤0.1％，S≤0.008％，P≤0.025％，Mo：0.05～0.35％，Nb：0.015～0.035％，余量为Fe及不可避免的杂质。
本发明中，为弥补高碳含量造成的钢轨耐蚀性能的减弱，在钢轨中添加了适量的钼、Nb元素进行成分优化。钼可以降低碳的活度，有利于减少晶间腐蚀倾向，提高钢的耐蚀性，降低钢在腐蚀大气环境下的腐蚀速率。通常钢的耐蚀性随着钢中组织细化而增强。铌作为钢中常见的细化晶粒元素，也被用于提高钢耐蚀性。此外，Nb元素可减少钢发生点蚀的概率，促进钢的均匀腐蚀过程。
通过本发明的方法生产的钢轨具有较好的耐环境腐蚀能力，尤其是耐防冻液中氯化物的点蚀能力，适用于北方重载铁路运输。
下面通过具体的实施例对本发明进行具体的说明。
本发明同时选取了具有不同化学成分和生产工艺的七组钢轨样本进行对比。其中，实施例1-5的成分及热处理工艺均采用本发明的方法，对比例1-2的成分及热处理工艺均依据常规钢轨要求设计。具体地，对比例1-2采用低S铁水入炉，转炉吹炼脱氧后添加碳及合金在高碱度精炼渣保护下进行精炼；所得钢液经过连铸工艺得到铸坯；所得铸坯采用万能轧制机进行轧制；所得钢轨进行在线热处理，所得钢轨静置在空气中冷却，当钢轨轨顶面中心温度降至开冷温度时进入在线热处理机组，使钢轨轨头以第一冷却速率冷却至中间温度，再以第二冷却速率冷却至终冷温度，之后停止加速冷却，并继续在空气中冷却至室温。
实施例1-5以及对比例1-2中钢轨铸坯的成分如表1所示。
表1钢轨铸坯成分表(按质量百分比含量计，％)
Figure BDA0003217135760000071
将含有上述成分的钢轨铸坯轧制成为75kg/m钢轨，轧制之后的热处理工艺参数如表2所示。
表2钢轨热处理工艺参数表
Figure BDA0003217135760000072
为了精确地评价实施例1-5以及对比例1-2中钢轨的耐腐蚀性能，本申请中采用了两种方法对钢轨耐腐蚀性能进行了测试。
测试例1
测试实施例1-5和对比例1-2制备得到的钢轨的耐腐蚀性能，按照TB/T2375-1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》标准要求进行检测，在钢轨轨底截取50×50×1.5mm大小的试样进行周期浸润试验，试验时间为72h，通过测量试样腐蚀前后失重计算试样的腐蚀速率。结果如表3所示。
表3耐腐蚀性能评价表
编号 腐蚀速率/g/m<sup>2</sup>h
1# 7.8256
2# 6.9245
3# 7.6354
4# 6.4458
5# 7.5841
D1# 10.2645
D2# 9.7836
测试例2
测试实施例1-5和对比例1-2制备得到的钢轨的耐海洋环境腐蚀性能，按照TB/T2375-1993《铁路用耐候钢周期浸润腐蚀试验方法》标准要求进行检测，在钢轨轨底截取50×50×1.5mm大小的试样，选取3.5wt.％的NaCl溶液中进行周期浸润试验，试验时间为100h，通过测量试样表面蚀坑深度与宽度比(a/c)来表征钢轨的耐点蚀性能。结果如表4所示。
表4耐海洋环境腐蚀性能评价表
编号 a/c
1# 0.33
2# 0.25
3# 0.31
4# 0.22
5# 0.29
D1# 0.71
D2# 0.63
通过表3和表4的结果可以看出，相比于依据常规钢轨要求设计的钢轨，采用本发明的方法制备的过共析钢轨，在周期浸润试验过程中，腐蚀速率和试样表面蚀坑深度与宽度比均较小，也就是说，耐SO3 2-腐蚀速率和耐Cl-点蚀能力较好，具有优良的耐腐蚀性能。
应理解的是虽然这样的方法等的步骤描述为按照一定的顺序排列发生，但这样的方法可以采用以这里描述的顺序之外的顺序完成的描述的步骤实施操作。进一步应该理解的是，某些步骤可以同时执行，可以添加其他步骤，或者可以省略这里所述的某些步骤。换言之，这里的方法的描述提供用于说明某些实施例的目的，并且不应该以任何方式解释为限制要求保护的发明。
上述实施例，特别是任何“优选”实施例是实施方式的可能示例，并且仅仅为了清楚理解本发明的原理而提出。在基本上不脱离本文描述的技术的精神和原理的情况下，可以对上述实施例做出许多变化和修改。所有修改旨在被包括在本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：制备钢轨铸坯；
步骤二：将制备出的钢轨铸坯轧制成钢轨；
步骤三：对轧制后的钢轨进行分段式冷却，轧制后的钢轨首先静置在空气中冷却，当钢轨轨顶面中心温度降至730～850℃时，对钢轨轨头喷吹冷却介质，使钢轨轨头以第一冷却速率加速冷却至650～750℃，然后再使钢轨轨头以第二冷却速率加速冷却至400～500℃，之后停止加速冷却，使钢轨继续在空气中冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，其特征在于，步骤一制备的钢轨铸坯的成分按质量百分比含量计包括：C：0.85～1.05％，Si：0.2～0.8％，Mn：0.4～1.0％；Cr：0～0.4％；V≤0.1％，S≤0.008％，P≤0.025％，Mo：0.05～0.35％，Nb：0.015～0.035％，余量为Fe及不可避免的杂质。
3.根据权利要求2所述的耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，其特征在于，步骤一制备的钢轨铸坯中Mo和Nb的质量百分比含量之和需满足：0.08％≤Mo+Nb≤0.37％。
4.根据权利要求2所述的耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，其特征在于，步骤一制备的钢轨铸坯中Mo的质量百分比含量为0.1～0.3％，Nb的质量百分比含量为0.01～0.03％。
5.根据权利要求1所述的耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的制备钢轨铸坯包括：通过铁水预处理工序、转炉冶炼工序、LF炉精炼工序、RH真空处理工序和连铸工序制备钢轨铸坯。
6.根据权利要求1所述的耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，其特征在于，步骤一中所述的制备钢轨铸坯包括：采用低S铁水入炉，转炉吹炼结束后出钢过程中进行脱氧合金化处理，对合金化后钢液进行软吹氩以均匀化合金成分，吹氩时间为5min～10min。
7.根据权利要求1所述的耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，其特征在于，步骤二中采用万能轧制机将钢轨铸坯轧制成钢轨。
8.根据权利要求1所述的耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，其特征在于，步骤三中所述的第一冷却速率为3.0～4.0℃/s，步骤三中所述的第二冷却速率为1.0～2.0℃/s。
9.根据权利要求1所述的耐腐蚀过共析钢轨的制备方法，其特征在于，步骤三中所述的冷却介质为压缩空气或水雾混合气。
10.一种耐腐蚀过共析钢轨，其特征在于，其成分按质量百分比含量计包括：C：0.85～1.05％，Si：0.2～0.8％，Mn：0.4～1.0％；Cr：0～0.4％；V≤0.1％，S≤0.008％，P≤0.025％，Mo：0.05～0.35％，Nb：0.015～0.035％，余量为Fe及不可避免的杂质。
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